摘要:為探究表面張力對液滴沖擊過(guò)冷水平壁面鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響，搭建了可視化實(shí)驗系統，探究了乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為，分析了水平壁面過(guò)冷度對低表面張力液滴沖擊鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響。實(shí)驗中，采用親水硅水平壁面及較小的沖擊速度以觀(guān)測乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為。此外，還比較了不同的最大鋪展因子和最大鋪展時(shí)間的典型模型對乙醇液滴沖擊過(guò)冷水平壁面鋪展動(dòng)力學(xué)因子的適用性。結果表明:乙醇液滴沖擊過(guò)冷親水水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為分為飛濺、鋪展、穩定3個(gè)階段;最大鋪展時(shí)間隨水平壁面過(guò)冷度的增大而減小;水平壁面過(guò)冷度對最大鋪展因子的影響是非單調的，在水平壁面過(guò)冷度較低時(shí)，最大內部鋪展因子減小起主要作用，在水平壁面過(guò)冷度較高時(shí)，由于瑞利-泰勒不穩定性的增強，無(wú)量綱手指狀突起增大起主要作用，二者共同作用造成了非單調變化;現有模型對于最大鋪展時(shí)間的預測效果較好，相對平均偏差為6.05%，而對最大鋪展因子的預測效果較差。

在日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中，液滴沖擊固體水平壁面這一物理過(guò)程廣泛存在。例如，拍打在荷葉水平壁面于中心聚集的水滴，下雨天從高空沖擊在雨傘上的雨滴飛濺，內燃機中未燃盡的油滴沖擊燃燒室壁面，航空發(fā)動(dòng)機內部小水滴沖擊葉片造成的侵蝕等。因此，深入探究液滴沖擊固體水平壁面的鋪展特性、飛濺特性和鋪展時(shí)間，可以對液滴沖擊固體水平壁面這一物理過(guò)程制定控制策略，這對我們的日常生活及工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

迄今為止，對于液滴沖擊水平壁面的動(dòng)力學(xué)行為，已有眾多學(xué)者針對液滴物性進(jìn)行了一系列研究。

Kulkarni等通過(guò)在液體中增加活性劑，改變表面張力，確定了尿素液滴沖擊水平壁面的4種模式，即沉積、熱霧化、回彈和破碎。Lin等利用修正的毛細慣性時(shí)間，考慮液體黏度和水平壁面潤濕性對液滴鋪展的影響，得到了描述最大鋪展時(shí)間的修正表達式。Zhao等研究了黏性液滴對超重力水平壁面的影響，表明最大鋪展因子隨著(zhù)韋伯數或雷諾數的增加而增加，但隨著(zhù)液體黏度的增加而減小。

不僅如此，也有眾多學(xué)者展開(kāi)了過(guò)冷水平壁面的液滴沖擊動(dòng)力學(xué)研究。Ding等利用高速攝像機，并采用液滴鋪展因子、無(wú)量綱高度、特征時(shí)間、反彈能量和二次液滴質(zhì)量分數來(lái)反映動(dòng)力學(xué)行。

Qian等對冷彈性超疏水膜進(jìn)行了液滴沖擊實(shí)驗，研究了水平壁面硬度和沖擊速度對液滴沖擊過(guò)程的影響，與彈性疏水膜相比，彈性超疏水膜具有更強的防冰性能。Castillo等通過(guò)冷凍液滴和鄰近液滴之間的熱量和質(zhì)量交換來(lái)研究液滴之間的相互作用，在冷凍液滴的最終形狀中觀(guān)察到不對稱(chēng)性。

Liu等利用流體體積(VOF)法和焓-孔隙度技術(shù)建立了一個(gè)數值模型，并通過(guò)模擬和實(shí)驗比較了液滴輪廓和鋪展面積因子。Zhang等利用VOF多相模型和凝固/熔化相變模型，建立了一個(gè)同時(shí)考慮過(guò)冷度對物理性質(zhì)的影響和動(dòng)態(tài)接觸角對接觸線(xiàn)運動(dòng)的影響的數值模型來(lái)模擬液滴的沖擊-凍結行為。

盡管如此，目前針對低表面張力液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的研究仍有所欠缺。液滴在過(guò)冷表面上的沖擊和應用在生活中也十分常見(jiàn)，例如噴霧凍結、高空中的過(guò)冷水滴沖擊機翼導致結冰、過(guò)冷噴涂等。本文針對乙醇液滴沖擊過(guò)冷親水水平壁面這一基本物理現象開(kāi)展實(shí)驗，針對其鋪展動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行分析與討論，旨在探究低表面張力對液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的鋪展動(dòng)力學(xué)行為的影響。這一研究有助于加深對固液接觸現象的理解，為更好的控制固液介面接觸提供有效指導。

1、實(shí)驗方法

1.1實(shí)驗系統

本文實(shí)驗系統如圖1所示，選擇常溫狀態(tài)下的無(wú)水乙醇(質(zhì)量分數99.9%，Tansoole)進(jìn)行實(shí)驗。常溫下，該液體的密度ρ為788.69kg/m3，表面張力σ為0.023N/m，黏度μ為0.0012Pa·s，乙醇液滴的初始溫度為20℃。注射泵(Harvard，PHD-Ultra)通過(guò)推動(dòng)總量程為5mL的注射器以生成乙醇液滴，當針尖處液滴的自身重力大于其表面張力時(shí)，液滴從針尖脫落。針尖的外徑為(0.23±0.02)mm，液滴的初始直徑D0為(1.75±0.08)mm，針尖底部距離過(guò)冷水平壁面的距離為335mm，液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的初速度U0為(2.43±0.19)m/s。使用高速相機(Ph?otron，Fastcam-MiniAX100)拍攝了液滴沖擊過(guò)冷水平壁面的過(guò)程，拍攝速度為18000幀/s，鏡頭方向與水平方向夾角為54°和0°。

液滴沖擊的水平壁面為硅片(親水光滑硅片)，乙醇液滴在該水平壁面上的靜態(tài)接觸角為8.5°。硅片緊密貼合于一半導體制冷片的冷端，半導體制冷片的熱端與循環(huán)制冷機(JULABO，CD-300F)的冷卻模塊貼合，通過(guò)這種方式，硅片的溫度Ts的范圍為0~-36℃。水平壁面溫度為硅片兩個(gè)對稱(chēng)布置的K型熱電偶(Omega，精度為±0.1K)的測量值的平均值。環(huán)境溫度為(20±1)℃，相對濕度為(35±2)%。為了盡量消除過(guò)冷表面結霜對表面粗糙度的影響，每次實(shí)驗前利用無(wú)紡布沿同一方向對實(shí)驗水平壁面進(jìn)行擦拭。為確保實(shí)驗數據的可靠性，每組實(shí)驗至少重復3次，對重復的結果進(jìn)行計算，所獲得的標準方差為誤差棒。